测试技术与应用-第一章 信号的获取
第一节 传感器的分类本节介绍传感器的作用及其分类方法，着重指出机械工程中常用物理型传感器的分类方法。
传感器定义：能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用的输出信号的器件或装置， 通常由敏感元件和转换元件组成。 传感器的重要性：1．人类处于信息时代，信息技术的三大支柱是测控技术、通信 技术和计算机技术，而传感器技术是测控技术的基础。 没有传感器技术就没有现代科学技术”的观点已为全世界公认。2．传感处于自动检测与控制系统之首，是感知、获取与检测信息的窗口。
3．科学研究和生产过程要获取的信息，都要通过传感器转换成容易传输和处理的电信号。
4．科学技术越发达，其自动化程度愈高，对传感器的依赖愈大；
传感器技术的发展，又促进工业、农业、宇航、军事、环卫等技术的发展。 传感器的分类： 物理型：物理型传感器是利用某些变换元件的物理性质或某些功能材料的特殊 性能制成的传感器。示例： 化学型：化学型传感器是利用电化学反应原理把有机和无机的化学物质的成分、 浓度等转换成电信号的传感器。示例： 生物型：生物型传感器是利用生物功能物质作识别器件制成的传感器。示例：
机械工程常用的物理型传感器的分类方法如下表：表 1-1 工程常用传感器类型
分类方法 类 型示 例按被测物理量 位移、速度、加速度、力、力矩、压力、温度传感器等位移传感器、测力仪、点温计按工作原理 机械式、应变式、电学式、磁学式、光电式等离心转速表、闪光转速表按输出信号特征 模拟式传感器、数字式传感器模拟式光电传感器、光码盘按信号变换效应
物理型
结构型电容传感器、电感传感器
物性型电阻式位移传感器、压电加速度计、光敏管化学型 气敏传感器、味敏传感器、酸度计生物型 荧光生物传感器 第二节 电阻应变式传感器
本节将介绍电阻应变式传感器的基本原理、结构和应用
一、原理 由欧姆定律知，对于长为 http://www.wyu.edu.cn/stations/csjsweb/1-ketangjiaoxue/1/12/pic/temp.h1.gif 、截面积为 http://www.wyu.edu.cn/stations/csjsweb/1-ketangjiaoxue/1/12/pic/temp.h2.gif 、电阻率为 http://www.wyu.edu.cn/stations/csjsweb/1-ketangjiaoxue/1/12/pic/temp.h3.gif 的导体，其电阻 http://www.wyu.edu.cn/stations/csjsweb/1-ketangjiaoxue/1/12/pic/temp.h4.gif
若 http://www.wyu.edu.cn/stations/csjsweb/1-ketangjiaoxue/1/12/pic/temp.h5.gif 、 http://www.wyu.edu.cn/stations/csjsweb/1-ketangjiaoxue/1/12/pic/temp.h6.gif 和 http://www.wyu.edu.cn/stations/csjsweb/1-ketangjiaoxue/1/12/pic/temp.h7.gif 均发生变化，则其电阻也变化，对上式全微分，有
http://www.wyu.edu.cn/stations/csjsweb/1-ketangjiaoxue/1/12/pic/temp.h8.gif
设半径为 http://www.wyu.edu.cn/stations/csjsweb/1-ketangjiaoxue/1/12/pic/temp.h9.gif 的圆导体， http://www.wyu.edu.cn/stations/csjsweb/1-ketangjiaoxue/1/12/pic/temp.h10.gif = http://www.wyu.edu.cn/stations/csjsweb/1-ketangjiaoxue/1/12/pic/temp.h11.gif ，代入上式，电阻的相对变化为 因为 http://www.wyu.edu.cn/stations/csjsweb/1-ketangjiaoxue/1/12/pic/temp.h12.gif
则
http://www.wyu.edu.cn/stations/csjsweb/1-ketangjiaoxue/1/12/pic/temp.h17.gif
式中
http://www.wyu.edu.cn/stations/csjsweb/1-ketangjiaoxue/1/12/pic/temp.h18.gif ——导体的纵向应变。其数值一般很小，常以微应变 http://www.wyu.edu.cn/stations/csjsweb/1-ketangjiaoxue/1/12/pic/temp.h19.gif 度量， 1 http://www.wyu.edu.cn/stations/csjsweb/1-ketangjiaoxue/1/12/pic/temp.h20.gif =10－6 http://www.wyu.edu.cn/stations/csjsweb/1-ketangjiaoxue/1/12/pic/temp.h21.gif ；
http://www.wyu.edu.cn/stations/csjsweb/1-ketangjiaoxue/1/12/pic/temp.h22.gif —— 材料泊桑比，一般金属 http://www.wyu.edu.cn/stations/csjsweb/1-ketangjiaoxue/1/12/pic/temp.h23.gif =0.3-0.5；
http://www.wyu.edu.cn/stations/csjsweb/1-ketangjiaoxue/1/12/pic/temp.h24.gif —— 压阻系数，与材质有关； E —— 材料的弹性模量。 上式中， http://www.wyu.edu.cn/stations/csjsweb/1-ketangjiaoxue/1/12/pic/temp.h25.gif 表示几何尺寸变化而引起电阻的相对变化量； http://www.wyu.edu.cn/stations/csjsweb/1-ketangjiaoxue/1/12/pic/temp.h26.gif 表示由于材料电阻率的变化而引起电阻的相对变化量。 不同属性的导体，这两项所占的比例相差很大。 若定义导体产生单位纵向应变时，电阻值相对变化量为导体的灵敏度系数，则 http://www.wyu.edu.cn/stations/csjsweb/1-ketangjiaoxue/1/12/pic/temp.h27.gif
显然，SS愈大，单位纵向应变引起的电阻值相对变化愈大，说明应变片愈灵敏。可用不同的导体材料制成应变片，目前主要有金属电阻应变片和半导体应变片两类。 二、金属电阻应变片
１.结构形式
http://www.wyu.edu.cn/stations/csjsweb/1-ketangjiaoxue/1/12/f12/12a.swf 本帖最后由 tester 于 2009-3-15 09:39 编辑
原理： 对于金属电阻应变片，材料电阻率随应变产生的变化很小，可忽略，得：
http://www.wyu.edu.cn/stations/csjsweb/1-ketangjiaoxue/1/12/pic/temp2.1.gif http://www.wyu.edu.cn/stations/csjsweb/1-ketangjiaoxue/1/12/pic/temp2.2.gif 电阻丝应变片又称金属丝电阻应变片,其优 点是制作方便,应变横向效应大.
选用应变片时，要考虑应变片的性能参数，主要有：应变片的电阻值、灵敏度、允许电流和应变极限等。市售金属电阻应变片的电阻值已趋于标准化，主要规格有60Ω、120Ω、350Ω600Ω和1000Ω等，其中120Ω用得最多。 应变片产品包装上标明的"标称灵敏系数"，出厂时测定的该批产品的平均灵敏度系数值。
2.其他结构形式(点击左下角播放按钮播放，双击全屏)
http://www.wyu.edu.cn/stations/csjsweb/1-ketangjiaoxue/1/12/f12/12d.swf 三、半导体应变片 结构形式http://www.wyu.edu.cn/stations/csjsweb/1-ketangjiaoxue/1/12/f12/12e.swf 对于半导体应变片，几何尺寸变化引起的电阻变化远小于由材料电阻率变化引起的电阻变化，前者可忽略不计，可得 http://www.wyu.edu.cn/stations/csjsweb/1-ketangjiaoxue/1/12/pic/temp3.1.gif
从而可得半导体应变片灵敏度系数为 http://www.wyu.edu.cn/stations/csjsweb/1-ketangjiaoxue/1/12/pic/temp3.2.gif
半导体应变片的最突出优点是灵敏度大，Ｓ可达60～150， 能直接与记录仪器连接而不需放大器，使测量系统简化。 此外，其横向效应小，机械滞后小和体积小。缺点是电阻值和灵敏度的温度稳定性差。 当应变较大时，非线性严重。由于受晶向、杂质等因素影响，灵敏度分散度大。 学习时注意观察应变片粘贴的位置及方向。 四、应用1．BLR-1拉压力传感器
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被测外力通过螺纹作用在弹性圆筒上，圆筒变形，应变片电阻变化， 接线座将信号引出。其电阻的变化与被测外力成正比。 本帖最后由 tester 于 2009-3-15 09:45 编辑
2．应用电阻应变片通过不同的弹力体来测力。
(１)柱式
弹性体分实心和空心两种,实心圆柱可承受较大负荷,空心圆筒横向刚度大,稳定性好.
http://www.wyu.edu.cn/stations/csjsweb/1-ketangjiaoxue/1/12/f12/12h.swf (２)环式 在外力作用下,各点的应力差别较大.线性误差和滞后误差较小.
http://www.wyu.edu.cn/stations/csjsweb/1-ketangjiaoxue/1/12/f12/12i.swf (３)双端固定梁式 这种结构当梁受力过载时容易产生非线性误差.梁和壳体一般是做成一体, 避免两固定端在工作过程中可能滑动而产生误差.
http://www.wyu.edu.cn/stations/csjsweb/1-ketangjiaoxue/1/12/f12/12k.swf (４)悬臂梁式 这种传感器具有结构简单、加工容易、应变片容易粘贴、灵敏度度较高等特点.
http://www.wyu.edu.cn/stations/csjsweb/1-ketangjiaoxue/1/12/f12/12l.swf 3．电阻应变式位移传感器
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将应变片贴在西、悬臂梁(弹性元件)上,当被测物移动,测杆移动,拉簧伸长,
使悬臂梁变形，从而引起应变片电阻发生变化.这种方法可用于测力、位移、
压力、加速度等物理参数。 本帖最后由 tester 于 2009-3-15 09:57 编辑
第三节 电感式传感器
本节介绍自感型（变磁阻式传感器和涡电流式传感器）和互感型
差动变压器式传感器）两种传感器的基本原理、结构及其应用等.
一、自感型传感器当有电流i(t)通过线圈时,在铁芯中产生电感,它与 L 与线圈匝数N的平方成正比， 与磁路的总磁阻Ｒm
成反比，即 http://www.wyu.edu.cn/stations/csjsweb/1-ketangjiaoxue/1/13/p13/temp1.8.gif
如果气隙 http://www.wyu.edu.cn/stations/csjsweb/1-ketangjiaoxue/1/13/p13/temp.h5.gif 较小，且不考虑磁路的铁损，总磁阻为磁路中铁芯、气隙和衔铁的磁阻之和。即
http://www.wyu.edu.cn/stations/csjsweb/1-ketangjiaoxue/1/13/p13/temp.h6.gif
式中
http://www.wyu.edu.cn/stations/csjsweb/1-ketangjiaoxue/1/13/p13/temp.h7.gif ——铁芯（包括衔铁）的导磁长度（m）； http://www.wyu.edu.cn/stations/csjsweb/1-ketangjiaoxue/1/13/p13/temp.h8.gif 、 http://www.wyu.edu.cn/stations/csjsweb/1-ketangjiaoxue/1/13/p13/temp.h9.gif ——分别为空气磁导率和铁芯的相对磁导率， 其中 http://www.wyu.edu.cn/stations/csjsweb/1-ketangjiaoxue/1/13/p13/temp.h10.gif ＝4π× http://www.wyu.edu.cn/stations/csjsweb/1-ketangjiaoxue/1/13/p13/temp1.3.gif H/m;
Ao、 A——分别为空气隙和铁芯导磁截面积( http://www.wyu.edu.cn/stations/csjsweb/1-ketangjiaoxue/1/13/p13/temp1.1.gif )。 因为铁芯由铁磁材料制成，其磁阻与气隙磁阻相比很小， 上式中右边第一项可忽略。将 Ｒm上表达式代入，得
http://www.wyu.edu.cn/stations/csjsweb/1-ketangjiaoxue/1/13/p13/temp1.11.gif
可见，自感系数 http://www.wyu.edu.cn/stations/csjsweb/1-ketangjiaoxue/1/13/p13/temp.h13.gif 与气隙 http://www.wyu.edu.cn/stations/csjsweb/1-ketangjiaoxue/1/13/p13/temp.h14.gif 成反比，与气隙导磁面积
http://www.wyu.edu.cn/stations/csjsweb/1-ketangjiaoxue/1/13/p13/temp.h32.gif0成正比。 若固定
http://www.wyu.edu.cn/stations/csjsweb/1-ketangjiaoxue/1/13/p13/temp.h32.gif0，改变 http://www.wyu.edu.cn/stations/csjsweb/1-ketangjiaoxue/1/13/p13/temp.h17.gif ，这就是常用的变气隙电感式传感器。此时， http://www.wyu.edu.cn/stations/csjsweb/1-ketangjiaoxue/1/13/p13/temp.h18.gif 与 http://www.wyu.edu.cn/stations/csjsweb/1-ketangjiaoxue/1/13/p13/temp.h19.gif 为非线性关系，其曲线下图所示。传感器的灵敏度为： http://www.wyu.edu.cn/stations/csjsweb/1-ketangjiaoxue/1/13/p13/temp1.15.gif
由上式可知，气隙 http://www.wyu.edu.cn/stations/csjsweb/1-ketangjiaoxue/1/13/p13/temp.h23.gif 愈小，则灵敏度愈高。 当 http://www.wyu.edu.cn/stations/csjsweb/1-ketangjiaoxue/1/13/p13/temp.h24.gif ， 此时 http://www.wyu.edu.cn/stations/csjsweb/1-ketangjiaoxue/1/13/p13/temp.h25.gif 可近似为常数。因此，这种传感器一般只适用于大约0.001－1mm范围的小位移测量。
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